Aus Luft gebaut
Die Vorteile von Leichtbau wiegen schwer: Bauteile und Produkte erhalten eine erhöhte Dynamik mit deutlich verringerten Massenkräften. Leichtbau spart Energie und Rohstoffe, erleichtert Transport und Handhabung selbst größter Teile. Nicht zuletzt entsteht Platz für mechatronische Komponenten, die smarte, hochfunktionale Maschinen und Fahrzeuge erst möglich machen.
Dennoch: „Leichtbau ist noch lange nicht gelöst, noch lange kein Standard“, konstatierte Professor Tobias Melz, Vorstandvorsitzender bei Materials Valley e.V. Warum ist das so? Welche Werkstoffe und Fertigungsverfahren werden gebraucht? Wo sind Hürden? Bei der Veranstaltung „Materialinnovationen für Leichtbaulösungen“ im Rahmen der Reihe „Materials for the European Green Deal“ gaben Referenten aus Forschung und Industrie Einblick in die faszinierende, aber auch komplexe Disziplin.
Leichtbau als Game-Changer
Die Entwicklung besonders materialsparender Werkstoffe und Bauteile war lange Zeit vor allem Spielwiese für experimentierfreudige Konstrukteure. In Zeiten von Klimaschutz, Ressourcenschonung und umfassender Digitalisierung ändert sich das. „Leichtbau ist für das Bundeswirtschaftsministerium heute eine Game-Changer-Technologie“, betont Werner Loscheider, Leiter des Referats Leichtbau/Neue Werkstoffe im Bundeswirtschaftsministerium (BMWi).
Das zeigt die lange Liste bundesweiter Initiativen, Strategien und Programme. Mit der Initiative Leichtbau unterstützt das BMWi den Wissenstransfer zwischen den verschiedenen Akteuren aus Forschung und Anwendung. Anfang 2021 wurde eine „Leichtbaustrategie für den Industriestandort Deutschland“ veröffentlicht, für die unterschiedliche Branchen ihr Fachwissen eingebracht haben. 2020 startete mit einem Fördervolumen von 300 Millionen Euro das Technologietransferprogramm Leichtbau. Das BMWi sieht zudem viel Potential in der internationalen Vernetzung. Daher hat das Ministerium ein europäisches Netzwerk ins Leben gerufen und will über sein Markterschließungsprogramm insbesondere KMU den Weg auf ausländische Märkte erleichtern.
Schnittstellen neu knüpfen
Mobilität ist ein besonders fruchtbares Feld. „In vielen Bereichen müssen wir das Fahrzeug neu denken, um die Sparpotenziale von Leichtbau zu nutzen und um als Hochlohnland wettbewerbsfähig zu bleiben“, sagt Martin Hillebrecht, Senior Experte Innovation bei der EDAG Engineering Group AG in Fulda. Das gilt für die Karosserie, insbesondere aber auch für Antriebe. Mit Förderung durch das Land Hessen hat EDAG gemeinsam mit Partnern ein Modul gebaut, in dem sich sowohl ein Wasserstofftank als auch eine Batterie unterbringen lassen. Für kleinere Nutzfahrzeuge entwickelt das Unternehmen derzeit sogenannte variantenreiche Fahrzeugbodengruppen. Sie ermöglichen, dass unterschiedliche Antriebskonzepte möglichst kostensparend integriert und gefertigt werden können.
So filigran wie Ahornsamen
Luftig bauen, das geht am besten mit Additiver Fertigung. „Allerdings ist Additive Fertigung in der Regel noch zu langsam und deutlich zu teuer“, sagt Professor Christian Mittelstedt, Fachgebietsleiter Konstruktiver Leichtbau an der TU Darmstadt. Mittelstedt und sein Team setzen daher auf sogenannte Topologieoptimierung. Dahinter steckt ein einfaches Konzept: Bei der Gestaltung des Bauteils wird Material nur an denjenigen Stellen eingeplant, an denen es einen notwendigen Beitrag zur Funktionalität leistet. Übrig bleibt ein filigranes Fachwerk (Lattice), dessen Aussehen und Dimension durch die Lastpfade definiert wird. Lattice-Strukturen, so Mittelstedt, können die Kosten der Additiven Fertigung spürbar senken.
Durch Topologieoptimierung entstehen hochsteife Elemente, die an organisch gewachsene Formen erinnern. An der TU gelang es, einen Ahornsamen additiv nachzubauen, der wie sein natürliches Vorbild in sanftem Propellerflug nach unten sinkt. Diese Methodik birgt viel Potenzial beispielsweise für gewichtssparenden Flugzeugbau. Um wichtige Fragen zu Statik und Betriebsfestigkeit zu klären, entwickelt die TU derzeit Probekörper für die technische Prüfung solcher Gitterstrukturen.
Funktion mit eingebaut
Werden Teile aus Metall additiv gefertigt, ergibt sich ein anderes Problem: Fast alle benötigen kompakte Stützstrukturen, die nach der Fertigung wieder entfernt werden müssen – das kostet Zeit und Material. Durch neue Softwarekonzepte mit angepassten Parametern können Stützen verkleinert oder gar überflüssig werden. Noch steht die Entwicklung hier am Anfang. „Wir können viele schöne Dinge im 3-D-Druck berechnen, aber in der tatsächlichen Fertigung ist die unbegrenzte geometrische Freiheit bislang eine Vision“, sagt Christoph Over, Geschäftsführer der C.F.K. CNC-Fertigungstechnik Kriftel GmbH.
Leichtbau spielt seine Stärke dann besonders aus, wenn elektronische Elemente und damit wichtige Funktionen quasi in den Werkstoff integriert werden. Die Invent GmbH in Braunschweig entwickelt smarte Halbzeuge insbesondere für die Luftfahrt. Dafür werden Wandler, Sensoren, Antennen oder Heizelemente direkt in Faserverbund-Werkstoffe eingebracht oder aufgedruckt. Sie ermöglichen Bauteile, die zum Beispiel Schwingungen während des Betriebs kontrollieren, vor Eisbildung schützen oder den Zustand einer durch Kollision und Impact stark gefährdeten Türumgebung eines Flugzeugs überwachen.
Leicht. Leichter. Ultra.
Integrierte Intelligenz ist auch ein Merkmal des Ultraleichtbaus, der die Grenzbereiche des physikalisch Möglichen austestet. Ultraleichtbau-Konstruktionen können noch einmal signifikant Material einsparen, ohne dass die Sicherheit des Bauteils verringert wird. Dafür werden beispielsweise Aktoren in den Werkstoff integriert, die Verformungen durch dynamische und statische Lasten aktiv ausgleichen. „Ultraleichtbau eröffnet bisher ungeahnte Entwicklungsmöglichkeiten“, ist Saskia Biehl, Leiterin der Abteilung Ultraleichtbau am Fraunhofer LBF in Darmstadt, überzeugt.
Mehrere Fraunhofer-Institute haben gemeinsam beispielsweise unbemannte Drohnen in Skelettbauweise mit Plug-In Bordelektronik und Umfeldsensorik entwickelt, die bis zu 200 Kilogramm Ladung transportieren können. In einem anderen Projekt gelang es, ein herkömmliches Lastenfahrrad so umzukonstruieren, dass es 40 Prozent leichter ist und zudem dank sensorischen Verbindungselementen während der Fahrt die sichere Lagerung der Ladung überwacht.
Gesucht: Werkstoffe mit Resilienz
Leichtbau ist allerdings nicht per se ein Klimaschützer. „Er ist nur dann ein potenter Hebel, wenn wir den kompletten Lebenszyklus betrachten“, betont Ursula Eul, Geschäftsführerin des Fraunhofer-Verbund MATERIALS. Aluminium beispielsweise ist zwar ein Leichtmetall, seine Herstellung aus Bauxit allerdings verbraucht meist extrem viel Energie und erzeugt entsprechend hohe Treibhausgasemissionen. Daher, so Eul, sind resiliente Materialien und Fertigungsverfahren, die eine höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen haben, ganz entscheidend. Nur dann öffnet sich der Leichtbau für Sekundärrohstoffe.
Einer der wenigen, quasi von Natur aus resilienten Werkstoffe ist Holz. Das Problem: Holzwerkstoffe sind in aller Regel Schwergewichte. An der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (OWL) in Lemgo gelang die Entwicklung einer 16 Millimeter-dünnen Leichtspanplatte. Das „Particle grid board“ ist besonders luftig, weil es aus zwei spiegelgleichen, gepressten Spanhalbschalen besteht. „Damit verbinden sich Nachhaltigkeit, Regionalität und Wirtschaftlichkeit“, betont Professor Martin Stosch vom Fachbereich für Holz- und Produktionstechnik an der TH OWL
Leichtbau über alle Disziplinen
Der Game-Changer steht noch vor einer zweiten Herausforderung: Leichtbau erfordert interdisziplinäre Kompetenz. Beispielsweise klappt die Entwicklung adaptiver, intelligenter Materialien für interaktive Oberflächen nur durch Zusammenspiel von Werkstofftechnik und Elektronik. Damit die Schallabsorption bei Fahrzeugen oder Anlagen auch ohne dicke Dämmschichten gelingt, braucht es eine gemeinsame Strategie von Konstruktion und Akustik.
Außerdem: „Viel Potenzial ist schwer zu erschließen, weil Leichtbau im Topmanagement vieler Unternehmen noch nicht als oberste Priorität gilt“, konstatiert EDAG-Experte Hillebrecht. Mittelfristig bleibt allerdings gar keine Wahl, denn Klima- und Effizienzziele sind ohne smarte, ressourcen- und energiesparende Produkte nicht zu erreichen. „Leichtbau zeigt uns, dass nichts selbstverständlich ist“, resümiert Melz von Materials Valley e.V. Wenn Forschung und Unternehmen offen sind, Werkstoffe und Konstruktionen neu zu denken, könne Deutschland beim Leichtbau ein Schwergewicht werden.
Nächste Termine: Energienetze und Landwirtschaft/Ernährung
Im kommenden Jahr laden Technologieland Hessen und Materials Valley e.V. zu den abschließenden Terminen im Rahmen der Veranstaltungsreihe ein:
- am 21. Januar zu „Materialinnovationen für leistungsfähige Energienetze der Zukunft“ (jetzt anmelden)
- am 17. Februar zu „Materialinnovationen für klimaneutrale Ernährung und Landwirtschaft“ (Anmeldung noch nicht freigeschaltet)
- Am 26. April 2022 findet die Reihe in Hanau ihren Abschluss.
Materials Valley e.V. ist ein seit 2002 bestehender Verein unter Beteiligung von Industrieunternehmen, Hochschulen, Forschungsinstituten, Institutionen der Länder zur Förderung von Technologie und Wirtschaft und Privatpersonen.
Informieren, Beraten, Vernetzen: Das Technologieland Hessen unterstützt Unternehmen dabei, zukunftsweisende Innovationen zu entwickeln. Umgesetzt wird das Technologieland Hessen von der Hessen Trade & Invest GmbH im Auftrag des Hessischen Wirtschaftsministeriums.